Рис. 1. Высоковольтный преобразователь частоты

Среди средств автоматизации высоковольтные преобразователи частоты занимают отдельный сегмент. В России большая часть асинхронных электрических машин мощностью от 250 до 8000 кВт эксплуатируется на высоковольтном напряжении 6000 В и 10 000 В. Очевидным является то, что наибольший энергосберегающий эффект достижим на оборудовании именно с такими электродвигателями.

Существует три основные типа высоковольтных преобразователей частоты:

1. Двухтрансформаторная схема высоковольтного преобразователя частоты

Особенность двухтрансформаторной схемы заключается в следующем: напряжение питающей сети сначала понижается, затем преобразовывается в напряжение необходимой частоты, а после повышается и подается на вход электродвигателя.

Такая схема дает возможность применять недорогой низковольтный ПЧ.

Рис. 2. Двухтрансформаторная схема преобразователя частоты

Принцип работы высоковольтного преобразователя частоты построенного по двухтрансформаторной схеме:

Входной трансформатор понижает напряжение сети и подает его на вход низковольтного ПЧ. После чего, с помощью повышающего трансформатора, напряжение повышается, до нужной величины но уже с требуемым значением частоты.

Данный тип высоковольтных частотных преобразователей отличается относительно низкой стоимостью и простотой применения. А среди основных достоинств данной схемы следует отметить следующие:

• гибкость при выборе питающего напряжения двигателя (2-10 кВ);
• гальваническая изоляция системы благодаря наличию трансформаторов;
• отсутствие высокочастотных составляющих тока, воздействующих на обмотку электродвигателя;
• отсутствие подшипниковых токов благодаря фильтру и гальванической изоляции;
• возможность работы в «плавающих» сетях;
• возможность размещения трансформаторов на удалении от преобразователя частоты

Для снижения искажений на выходе преобразователя частоты, при больших мощностях, необходимо применять синусоидальный фильтр, который является достаточно дорогим и сложным устройством. Также высокие токи обязывают применять кабеля большого сечения кабеля, что в свою очередь существенно увеличивает и массу, и габариты.

Также преобразователи, выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты на выходе преобразователя.

Уменьшение частоты значительно снижает КПД преобразователя, т.к. с уменьшением частоты происходит увеличение насыщения сердечника выходного трансформатора. На практике диапазон регулирования ограничен в пределах n_ном>n>0,5n_ном. Используя трансформаторы с увеличенным сечением магнитопровода можно увеличить диапазона регулирования, однако это увеличивает стоимость и массогабаритные характеристики.

При увеличении частоты увеличиваются потери в сердечнике выходного трансформатора. При этом для корректировки Cos φ, входной трансформатор Т1 дополнительно потребует использования конденсатора.

Таким образом недостатками двухтрансформаторной схемы являются:

• необходимость установки дорогостоящего синусоидального фильтра
• необходимость использования кабелей большого сечения.
• Относительно узкий диапазон регулирования: nном>n>0,5nном

У различных производителей ряд мощностей подобной схемы ограничивается максимально мощностью 500 – 1 000кВт.

2. Схема преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей.

Данный тип преобразователей также называют тиристорными. На рис.3. представлена типовая схема 12-пульсного преобразователя.

В состав преобразователя входит:

• понижающий трансформатор Т1, в котором происходит преобразование выходного напряжения 6-10 кВ на 2 или 3 группы напряжения 1- 3 кВ
• диодные выпрямители ДВ, для выпрямления напряжения
• звено постоянного тока ЗПТ, обеспечивающее сглаживание напряжения
• тиристорный инвертор ТИ, для получения требуемого выходного напряжения.

Напряжение на выходе тиристорного инвертора весьма далеко от синусоидальной формы. Поэтому обязательно требуется наличие синусоидального фильтра.

Рис. 3. Схема 12-ти пульсного преобразователя частоты.

Такая схема нашла широкое применение в высоковольтных частотных преобразователях большой мощности

Достоинства схемы преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей

• наилучшие массогабаритные показатели по сравнению с другими типами высоковольтных преобразователей ,
• возможность регулирования частоты в диапазоне 0…300 Гц,
• Высокий КПД - до 97,5%.

Недостатки схемы преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей

• сложность согласования совместной работы электронных ключей,
• большие значения высших гармоник,
• необходимость применения синус-фильтра.

3. Транзисторные преобразователи частоты

Рис.4. Типовая схема транзисторного преобразователя частоты.

Данный тип высоковольтных преобразователей частоты по своим характеристикам схож со схемой тиристорного преобразователя. Отличительной особенностью является наличие силовых ячеек на IGB-транзисторах, а также применения многообмоточного трансформатора.

На входе преобразователя используется специальный многоуровневый трансформатор, обеспечивающий высокий коэфффициент мощности (не менее 0,95) и не требующий применения дополнительных конденсаторов.

Достоинства

• высокое качество выходного напряжения («чистый синус»)
• отсутствие выходного трансформатора
• высокий КПД (около 98%)
• отсутствие высших гармоник
• высокое значение коэффициента мощности
• широкий диапазон регулирования выходной частоты 1 : 50.

Недостатки

• большие габариты
• сложность в эксплуатации

Сравнение двухтрансформаторной схемы с низковольтным частотным преобразователем и преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором

* Характеристики высоковольтного решения указаны с учетом применения современного преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором, на IGBT-транзисторах. Такое решение не требует наличия выходного трансформатора, не разрушает изоляцию двигателя (эффект du/dt) и является наиболее технически совершенным.